钛金属陶瓷髋关节的关键基础问题研究

With the large quantity of metal-on-metal artificial hip joints recall, safe and reliable artificial joint materials need to be developed to provide more choices for patients. Titanium alloys are widely used in biomedical field due to their superior biocompatibility, outstanding corrosion resistance, well mechanical properties, low density and elastic modulus. However, the poor tribological behaviors of titanium alloys limit the application as loading bearing counterface. Therefore, this project will focus on the development of new titanium cermet artificial hip joints, and the fundamental key issues of titanium cermets in design, manufacture, simulation and application will be investigated. In addition, the surface technology of new β-type titanium alloy will developed to synthesize new titanium cermet, understand the friction, wear, lubrication, and corrosion behaviors of titanium cermet. Furthermore, the biotribological behaviors of titanium cermet on titanium cermet and titanium cermet on UHMWPE will be investigated by using hip joint simulator. Finally, the biocompatibility, cytocompatibility, and biofatigue of titanium cermet will be investigated to provide evidences of titanium cermets for the application in artificial hip joints.

随着近年来大量的金属对金属髋关节副的召回，人工关髋节领域里迫切需要在人工关节配副和人工关节材料方面给予病人有更多的选择，开发安全可靠的人工关节材料。钛合金具有优异的生物相容性、杰出的耐蚀性、良好的力学性能、低密度和较低的杨氏模量，唯一的不足是摩擦磨损性能太差，不能作为人工髋关节的承载面使用。本项目探索制备新型的钛金属陶瓷髋关节，研究钛金属陶瓷髋关节在设计、制造、加工、模拟和应用中的关键基础问题。另外，深入研究新型的β钛合金的表面改性技术，制备新型的钛金属陶瓷人工髋关节，全面理解钛金属陶瓷在生物溶液环境下摩擦、磨损、润滑和腐蚀行为，采用人工髋关节试验机研究钛金属陶瓷-钛金属陶瓷关节配副和钛金属陶瓷-超高分子量聚乙烯关节配副的磨损机理。同时，深入研究钛金属陶瓷关节的生物相容性和细胞相容性，解决钛金属陶瓷关节的生物疲劳问题，为钛金属陶瓷在人工髋关节假体的仿生制造奠定摩擦学理论和技术基础。

本项目采用高温固体渗碳工艺，对新型β型钛合金Ti13Nb13Zr进行表面渗碳改性处理，制备心部强韧、表面坚硬耐磨的钛金属陶瓷材料，并对钛金属陶瓷进行表征和生物摩擦学性能评价。钛金属陶瓷的渗碳工艺研究分析表明，温度和保温时间是影响钛金属陶瓷物相、结构、表面形貌和表面TiC陶瓷厚度的重要因素。钛金属陶瓷制备的最佳工艺参数为：渗碳温度为1500K，保温时间2小时，在此工艺下，Ti13Nb13Zr合金表面形成了均匀的、致密的TiC陶瓷，且厚度为100μm。.钛金属陶瓷的生物摩擦学性能研究表明，在25%小牛血清润滑条件下，Ti13Nb13Zr金属陶瓷表面的微孔结构导致摩擦系数略高于Ti13Nb13Zr合金，但Ti13Nb13Zr金属陶瓷的磨损率相较于原样能够降低59.3%左右。Ti13Nb13Zr合金表明发生了严重的磨损，表面存在大量平行于滑动方向的有序划痕， Ti13Nb13Zr合金的磨损机制为严重的磨粒磨损；而金属陶瓷表面磨损形貌显示出轻微的粘着坑分布，其主要磨损机制是轻微的粘着磨损。.钛金属陶瓷的生物相容性研究发现，试样表面培养细胞的OD值的结果表明Ti13Nb13Zr金属陶瓷试样显示出更多的活细胞数量。在渗碳后试样上培养的细胞的OD值均超过Ti13Nb13Zr合金上培养的细胞的OD值，表明经渗碳处理后Ti13Nb13Zr合金的生物相容性得到有效提高，有利于成骨细胞的附着、增殖和分化。.本项目通过优化高温固体渗碳技术，揭示了表面金属陶瓷层的生长形成机制，进一步优化了新型Ti13Nb13Zr钛金属陶瓷的制备工艺，实现钛金属陶瓷表面空隙的制备以及提高对空隙的可控性。本项目系统研究了钛金属陶瓷的力学性能、耐腐蚀性能、生物相容性和细胞相容性，深入理解其生物摩擦学行为、生物相容性和细胞相容性特性，为开发出少磨损、低危害的新型的钛金属陶瓷髋关节假体奠定摩擦学理论和技术基础。